Zosilňovač - koncepty zvukového alebo presného zosilňovača pod mikroskopom - B; W Group
Tranzistor alebo elektrónka, trieda A, B alebo A/B a čo trieda D: pokiaľ ide o koncepty zosilňovačov, existujú preferencie, pohľady, nevedomosť a niekedy zákopová vojna iba nad konceptom spásy. Počiatočná pozícia, profil požiadaviek na zosilňovač by bol skutočne jasný: presne to, čo prichádza vpredu, musí vychádzať v zadnej časti, jednoducho s väčšou energiou za sebou - jednoduché zosilnenie signálu. Každý princíp posilnenia má silné a slabé stránky. Čo je najlepšou voľbou v príslušnom zvukovom reťazci, závisí od technických premenných prostredia a nakoniec tiež od preferencie počúvania. Je užitočné pozrieť sa bližšie na jednotlivé koncepty obvodov. Jedná sa o elegantný spôsob, ako sa vyhnúť mýtom a robiť udržateľné nákupné rozhodnutia.
Triedy zosilňovačov
Najskôr ku klasifikácii zosilňovačov. Je to ako číslovanie rôznych konceptov a súvisí so sekvenciou, v ktorej jednotlivé technológie obvodov vznikajú. Klasifikácia nie je odvodená z koncepcie obvodu zosilňovača. To je zrejmé najmä u zosilňovačov triedy D. Kvôli písmenu „D“ sa nesprávne označujú ako digitálne zosilňovače. Funkčný princíp je však analógový a je založený na pulznej šírkovej modulácii. Ďalšie triedy bežne používané v oblasti HiFi sú triedy A a triedy B alebo ich kombinácie.
Požiadavky na dobrý zosilňovač
Dobrý hi-fi zosilňovač má za úlohu čo naj lineárne zosilniť vstupný signál až za hranicu počuteľného frekvenčného rozsahu s vysokým pomerom vonkajšieho napätia, bez skreslenia a s vysokou rýchlosťou, t. J. Strmosťou hrán alebo stabilitou impulzu. Toto by sa malo robiť tiež s najvyššou možnou mierou účinnosti, aby sa čo najmenej energie premenilo na teplo a stratilo sa. To je teória. V praxi je potrebné prekonať niektoré prekážky, aby sme sa čo najviac priblížili tomuto teoretickému pohľadu, a teda ideálnemu, dokonalému zosilňovaču.
Elektrické komponenty, ako sú elektrónky a tranzistory, majú nelineárne prevádzkové vlastnosti. Aby sa zabránilo skresleniu zosilneného signálu, mal by byť v ideálnom prípade čo naj lineárnejší v celej frekvenčnej odozve počuteľného spektra.
Zosilňovač triedy A.
Toto je najstarší typ zosilňovača a používal sa už v elektronke. Pracovný bod zosilňovača leží v strede priamej časti charakteristickej krivky, aby sa zachovalo čo najmenšie skreslenie. Pretože prevádzkový bod je v strede charakteristiky, je zosilňovač vždy modulovaný, čo znamená, že vždy preteká veľmi vysoký prúd. Preto tieto zosilňovače nie sú veľmi energeticky účinné a majú zlú účinnosť. 200-wattový zosilňovač dosahuje maximálnu účinnosť menej ako 50% pri plnom výkone a pri 10 wattoch je to dokonca znížené iba na 2,5%. To znamená, že tento typ zosilňovača premieňa viac energie na teplo ako na hudbu, najmä ak je nečinný, keď sa nezosilňuje žiadny signál.
Obrázok 1: tu je príklad výkonného 160 wattového mono výkonového zosilňovača triedy A z 90. rokov od spoločnosti Krell (KMA-160). Impozantné chladiace rebrá odhaľujú, že sa tu musí rozptýliť veľa tepla.
Obrázok 2: Charakteristická krivka s pracovným bodom a princípom obvodu zosilňovača triedy A. Pracovný bod - t. J. Nulová čiara - je v lineárnej časti charakteristiky.
Obrázok 3: Čistý výstupný signál zosilňovača triedy A.
Na druhej strane sú skreslenia veľmi malé a veľmi dobrá je aj stabilita impulzu. Na zaručenie impulzného odporu a vysokého výstupného výkonu vyžadujú tieto zosilňovače v napájacích zdrojoch veľmi veľké a výkonné transformátory a zodpovedajúce elektrolytické kondenzátory. Veľmi objemné sú tiež chladiče, na ktorých sú namontované výkonové tranzistory na odvádzanie generovaného tepla. To vedie k veľmi veľkým a ťažkým zariadeniam. V audiofilskej komunite je veľa fanúšikov tohto dizajnu obvodu.
V dobe snahy o energetickú účinnosť sú zosilňovače triedy A v zlom svetle kvôli vysokému rozptýleniu výkonu. Čisté zosilňovače triedy A sa preto často nenachádzajú. A ak áno, potom často ako elektrónkový zosilňovač s nízkym výstupným výkonom (7 až 30 W), menej často s výstupom do 200 W.
Zosilňovač triedy B.
Zosilňovač triedy B funguje ako takzvaný zosilňovač push-pull. To znamená, že jeden tranzistor zosilňuje kladný a druhý záporný polcyklus užitočného signálu. Pracovné body (nulová čiara) týchto tranzistorov sú v nelineárnej časti charakteristickej krivky a polovičné vlny sa musia znova zostaviť na výstupe zosilňovača, čo vedie k takzvaným prenosovým skresleniam. Vďaka štruktúre obvodu je zosilňovač účinnejší s účinnosťou približne 80% na plnej úrovni a približne 17% pri 10 wattoch. Aby sa získal spoľahlivo použiteľný zosilňovač, musí sa skreslenie znížiť negatívnou spätnou väzbou.
Obrázok 4: Krivka s pracovným bodom zosilňovača triedy B, môžete veľmi dobre vidieť, ako je pracovný bod v nelineárnej časti krivky. To potom vedie k deformáciám prenosu, ktoré sú viditeľné na nasledujúcom obrázku.
Obrázok 5: Skreslený výstupný signál zosilňovača triedy B.
Zosilňovač triedy A/B
Tento obvod kombinuje dva vyššie uvedené koncepty zosilňovača. Obvod triedy A sa používa v rozsahu nízkeho výkonu a zosilňovač pracuje v režime triedy B vo vyššom rozsahu. To má za následok minimálne skreslenie, najmä v malom rozsahu signálu, a vďaka plynulému prechodu z A do B a negatívnej spätnej väzbe sa prenáša skreslenie s vyššou úrovňou riadenia, ktorá je menšia ako 0,03%, čo zodpovedá veľmi dobrej hodnote. To sa kupuje za cenu o niečo menšieho zisku kvôli negatívnej spätnej väzbe, ktorá je však kompenzovaná ďalším stupňom zosilňovača.
Koncept triedy A/B je dnes najbežnejším usporiadaním obvodov v analógových HiFi zosilňovačoch. Tieto nesporné a všadeprítomné pracovné nástroje dominujú na trhu - prinajmenšom pre vysoko kvalitné hi-fi aplikácie!
Obrázok 6: Príklad výkonového zosilňovača triedy AB, CA-M400 od spoločnosti Classé
Obrázok 7: Na tejto charakteristickej krivke sú zobrazené dva prevádzkové body A a B spolu s princípom zapojenia. Pri správnom nastavení kľudových prúdov tak, aby sa prechody stali tekutými, a zodpovedajúcej negatívnej spätnej väzbe môžu byť skreslenia udržiavané veľmi malé.
Zosilňovač triedy D.
Zosilňovače triedy D pracujú na úplne inom princípe. Zosilňovače triedy D sa často označujú ako digitálne zosilňovače, čo je nesprávne, pretože písmeno „D“ neznamená digitálne. Začali ste klasifikáciou na A a ukázalo sa, že zosilňovače šírky impulzu potom dostali písmeno D. Ako už bolo povedané, tieto zosilňovače pracujú na princípe pulznej šírkovej modulácie. Toto je v zásade analógový spôsob práce, ktorý funguje nasledovne.
Vstupný signál sa privádza do takzvaného komparátora, do ktorého sa aplikuje generátor so signálom v tvare pílky. To má frekvenciu, ktorá je mnohonásobne vyššia ako vstupný signál, zvyčajne medzi 100 kHz a 1 MHz. Frekvencia a amplitúda sa udržiavajú konštantné. Tieto dva signály sa teraz porovnávajú navzájom v komparátore. Výstup sa zapína alebo vypína podľa toho, ktorý signál má vyššiu úroveň. Na výstupe je signál štvorcovej vlny s konštantnou amplitúdou, ale s obdĺžnikmi rôznych šírok. Táto metóda sa nazýva modulácia šírky impulzov, pretože impulzy (obdĺžniky) majú rôznu šírku (šírku). Informácie - frekvencia a amplitúda - užitočného signálu sú teraz obsiahnuté v týchto impulzoch rôznych dĺžok.
Obrázok 8: V každom bode dotyku medzi užitočným signálom a trojuholníkovým signálom sa v komparátore generuje hodnota, ktorá vedie k rôznym šírkam signálu s obdĺžnikovou vlnou (červená nižšie).
Tento signál obdĺžnikovej vlny teraz riadi nasledujúci stupeň zosilňovača striedavým úplným otvorením alebo zatvorením tranzistora pre kladnú a zápornú časť signálu štvorcovej vlny. Pretože sú tranzistory buď úplne uzavreté, alebo úplne otvorené, je táto obvodová technológia taká efektívna, že je možné dosiahnuť účinnosť 90 až 95% v celom výkonovom rozsahu. V predtým diskutovaných koncepciách triedy A a AB sú tranzistory zosilňovača vždy nejako otvorené, takže vždy preteká prúd a spotrebováva sa energia.
Obrázok 9, bloková schéma zosilňovača triedy D. Audio signál sa prevedie na signál šírky impulzu v komparátore pomocou trojuholníkového signálu. Obsahuje všetky užitočné informácie a potom ovláda zosilňovaciu časť iba v nevyhnutnom rozsahu. Na výstupe sú vysokofrekvenčné komponenty odfiltrované LC dolnopriepustným filtrom a zostáva zosilnený zvukový signál.
Negatívne vlastnosti jednoduchých obvodov triedy D.
Zosilňovače triedy D je možné zostaviť lacno a kompaktne. Preto sa často používajú v lacných až lacných zvukových zariadeniach. Hotové moduly triedy D si môžete lacno objednať od výrobcov komponentov a zabudovať ich do svojich vlastných zariadení. Tieto moduly, ktoré sú primárne upravené kvôli cene a kompaktnosti, neúnavne odhaľujú tonálne slabiny jednoduchých a priemerných konceptov D. Zlý obraz D v audiofilskej komunite nie je náhoda, pretože takéto moduly používajú aj lepšie hi-fi značky.
Existuje však aj iná cesta - inovatívne a moderné koncepty triedy D.
Obrázok 10: Vnútorný pohľad Classé Sigma MONO, veľký toroidný transformátor a elektrolytické kondenzátory, ktoré sú známe z veľkých výkonových zosilňovačov, tu chýbajú, ale výkonový zosilňovač má stále pozoruhodný výstupný výkon 350 wattov. Okrem technológie triedy D sa používa aj spínací zdroj. Ďalší vývoj triedy Classé. Pre prepínanie zdrojov napájania platí rovnaký príbeh ako pre triedu D: lacný, kompaktný prístroj s vysokou účinnosťou. Vyrobené lacno, tieto výhody sa kupujú s nečistým a bezproblémovým napájaním. Spínané napájacie zdroje Classé sú prepracované a spolupracujú s činiteľom Power Corrector Factor (tok prúdu korelovaný s napätím) a zaručujú pulzný a čistý zdroj napájania pre zosilňovač. Jasný indikátor výkonu: 350 W RMS pri 8 ohmoch a zdvojnásobenie výkonu pri 4 ohmoch (700 W - RMS = prísnejšia metóda merania ako bežné meranie špičkových hodnôt, čo vedie k hodnotám vyšším o faktor 1,41).
Obrázok 11: Moderné koncepty triedy D môžu určite dosiahnuť kvalitu výkonového zosilňovača triedy A a napriek tomu byť veľmi energeticky efektívne.